8bcbf24913194d049be9a66cb8254dc95adc5f67
[p5sagit/p5-mst-13.2.git] / pod / perlthrtut.pod
1 =head1 NAME
2
3 perlthrtut - tutorial on threads in Perl
4
5 =head1 DESCRIPTION
6
7 B<NOTE>: this tutorial describes the new Perl threading flavour
8 introduced in Perl 5.6.0 called interpreter threads, or ithreads
9 for short.  There is another older Perl threading flavour called
10 the 5.005 model, unsurprisingly for 5.005 versions of Perl.
11 The old model is deprecated, and will probably be removed around release
12 5.10. You are strongly encouraged to migrate any existing 5.005 threads
13 code to the new model as soon as possible.
14
15 You can see which (or neither) threading flavour you have by
16 running C<perl -V> and looking at the C<Platform> section.
17 If you have C<useithreads=define> you have ithreads, if you
18 have C<use5005threads=define> you have 5.005 threads.
19 If you have neither, you don't have any thread support built in.
20 If you have both, you are in trouble.
21
22 The user-level interface to the 5.005 threads was via the L<Threads>
23 class, while ithreads uses the L<threads> class. Note the change in case.
24
25 =head1 Status
26
27 The ithreads code has been available since Perl 5.6.0, and is considered
28 stable. The user-level interface to ithreads (the L<threads> classes)
29 appeared in the 5.8.0 release, and as of this time is considered stable,
30 although as with all new features, should be treated with caution.
31
32 =head1 What Is A Thread Anyway?
33
34 A thread is a flow of control through a program with a single
35 execution point.
36
37 Sounds an awful lot like a process, doesn't it? Well, it should.
38 Threads are one of the pieces of a process.  Every process has at least
39 one thread and, up until now, every process running Perl had only one
40 thread.  With 5.8, though, you can create extra threads.  We're going
41 to show you how, when, and why.
42
43 =head1 Threaded Program Models
44
45 There are three basic ways that you can structure a threaded
46 program.  Which model you choose depends on what you need your program
47 to do.  For many non-trivial threaded programs you'll need to choose
48 different models for different pieces of your program.
49
50 =head2 Boss/Worker
51
52 The boss/worker model usually has one `boss' thread and one or more
53 `worker' threads.  The boss thread gathers or generates tasks that need
54 to be done, then parcels those tasks out to the appropriate worker
55 thread.
56
57 This model is common in GUI and server programs, where a main thread
58 waits for some event and then passes that event to the appropriate
59 worker threads for processing.  Once the event has been passed on, the
60 boss thread goes back to waiting for another event.
61
62 The boss thread does relatively little work.  While tasks aren't
63 necessarily performed faster than with any other method, it tends to
64 have the best user-response times.
65
66 =head2 Work Crew
67
68 In the work crew model, several threads are created that do
69 essentially the same thing to different pieces of data.  It closely
70 mirrors classical parallel processing and vector processors, where a
71 large array of processors do the exact same thing to many pieces of
72 data.
73
74 This model is particularly useful if the system running the program
75 will distribute multiple threads across different processors.  It can
76 also be useful in ray tracing or rendering engines, where the
77 individual threads can pass on interim results to give the user visual
78 feedback.
79
80 =head2 Pipeline
81
82 The pipeline model divides up a task into a series of steps, and
83 passes the results of one step on to the thread processing the
84 next.  Each thread does one thing to each piece of data and passes the
85 results to the next thread in line.
86
87 This model makes the most sense if you have multiple processors so two
88 or more threads will be executing in parallel, though it can often
89 make sense in other contexts as well.  It tends to keep the individual
90 tasks small and simple, as well as allowing some parts of the pipeline
91 to block (on I/O or system calls, for example) while other parts keep
92 going.  If you're running different parts of the pipeline on different
93 processors you may also take advantage of the caches on each
94 processor.
95
96 This model is also handy for a form of recursive programming where,
97 rather than having a subroutine call itself, it instead creates
98 another thread.  Prime and Fibonacci generators both map well to this
99 form of the pipeline model. (A version of a prime number generator is
100 presented later on.)
101
102 =head1 Native threads
103
104 There are several different ways to implement threads on a system.  How
105 threads are implemented depends both on the vendor and, in some cases,
106 the version of the operating system.  Often the first implementation
107 will be relatively simple, but later versions of the OS will be more
108 sophisticated.
109
110 While the information in this section is useful, it's not necessary,
111 so you can skip it if you don't feel up to it.
112
113 There are three basic categories of threads: user-mode threads, kernel
114 threads, and multiprocessor kernel threads.
115
116 User-mode threads are threads that live entirely within a program and
117 its libraries.  In this model, the OS knows nothing about threads.  As
118 far as it's concerned, your process is just a process.
119
120 This is the easiest way to implement threads, and the way most OSes
121 start.  The big disadvantage is that, since the OS knows nothing about
122 threads, if one thread blocks they all do.  Typical blocking activities
123 include most system calls, most I/O, and things like sleep().
124
125 Kernel threads are the next step in thread evolution.  The OS knows
126 about kernel threads, and makes allowances for them.  The main
127 difference between a kernel thread and a user-mode thread is
128 blocking.  With kernel threads, things that block a single thread don't
129 block other threads.  This is not the case with user-mode threads,
130 where the kernel blocks at the process level and not the thread level.
131
132 This is a big step forward, and can give a threaded program quite a
133 performance boost over non-threaded programs.  Threads that block
134 performing I/O, for example, won't block threads that are doing other
135 things.  Each process still has only one thread running at once,
136 though, regardless of how many CPUs a system might have.
137
138 Since kernel threading can interrupt a thread at any time, they will
139 uncover some of the implicit locking assumptions you may make in your
140 program.  For example, something as simple as C<$a = $a + 2> can behave
141 unpredictably with kernel threads if $a is visible to other
142 threads, as another thread may have changed $a between the time it
143 was fetched on the right hand side and the time the new value is
144 stored.
145
146 Multiprocessor kernel threads are the final step in thread
147 support.  With multiprocessor kernel threads on a machine with multiple
148 CPUs, the OS may schedule two or more threads to run simultaneously on
149 different CPUs.
150
151 This can give a serious performance boost to your threaded program,
152 since more than one thread will be executing at the same time.  As a
153 tradeoff, though, any of those nagging synchronization issues that
154 might not have shown with basic kernel threads will appear with a
155 vengeance.
156
157 In addition to the different levels of OS involvement in threads,
158 different OSes (and different thread implementations for a particular
159 OS) allocate CPU cycles to threads in different ways.
160
161 Cooperative multitasking systems have running threads give up control
162 if one of two things happen.  If a thread calls a yield function, it
163 gives up control.  It also gives up control if the thread does
164 something that would cause it to block, such as perform I/O.  In a
165 cooperative multitasking implementation, one thread can starve all the
166 others for CPU time if it so chooses.
167
168 Preemptive multitasking systems interrupt threads at regular intervals
169 while the system decides which thread should run next.  In a preemptive
170 multitasking system, one thread usually won't monopolize the CPU.
171
172 On some systems, there can be cooperative and preemptive threads
173 running simultaneously. (Threads running with realtime priorities
174 often behave cooperatively, for example, while threads running at
175 normal priorities behave preemptively.)
176
177 =head1 What kind of threads are Perl threads?
178
179 If you have experience with other thread implementations, you might
180 find that things aren't quite what you expect.  It's very important to
181 remember when dealing with Perl threads that Perl Threads Are Not X
182 Threads, for all values of X.  They aren't POSIX threads, or
183 DecThreads, or Java's Green threads, or Win32 threads.  There are
184 similarities, and the broad concepts are the same, but if you start
185 looking for implementation details you're going to be either
186 disappointed or confused.  Possibly both.
187
188 This is not to say that Perl threads are completely different from
189 everything that's ever come before--they're not.  Perl's threading
190 model owes a lot to other thread models, especially POSIX.  Just as
191 Perl is not C, though, Perl threads are not POSIX threads.  So if you
192 find yourself looking for mutexes, or thread priorities, it's time to
193 step back a bit and think about what you want to do and how Perl can
194 do it.
195
196 However it is important to remember that Perl threads cannot magically
197 do things unless your operating systems threads allows it. So if your
198 system blocks the entire process on sleep(), Perl usually will as well.
199
200 =head1 Threadsafe Modules
201
202 The addition of threads has changed Perl's internals 
203 substantially. There are implications for people who write
204 modules with XS code or external libraries. However, since the threads
205 do not share data, pure Perl modules that don't interact with external
206 systems should be safe. Modules that are not tagged as thread-safe should
207 be tested or code reviewed before being used in production code.
208
209 Not all modules that you might use are thread-safe, and you should
210 always assume a module is unsafe unless the documentation says
211 otherwise.  This includes modules that are distributed as part of the
212 core.  Threads are a new feature, and even some of the standard
213 modules aren't thread-safe.
214
215 Even if a module is threadsafe, it doesn't mean that the module is optimized
216 to work well with threads. A module could possibly be rewritten to utilize
217 the new features in threaded Perl to increase performance in a threaded
218 environment.
219
220 If you're using a module that's not thread-safe for some reason, you
221 can protect yourself by using semaphores and lots of programming
222 discipline to control access to the module.  Semaphores are covered
223 later in the article.  Perl Threads Are Different
224
225 =head1 Thread Basics
226
227 The core L<threads> module provides the basic functions you need to write
228 threaded programs.  In the following sections we'll cover the basics,
229 showing you what you need to do to create a threaded program.   After
230 that, we'll go over some of the features of the L<threads> module that
231 make threaded programming easier.
232
233 =head2 Basic Thread Support
234
235 Thread support is a Perl compile-time option - it's something that's
236 turned on or off when Perl is built at your site, rather than when
237 your programs are compiled. If your Perl wasn't compiled with thread
238 support enabled, then any attempt to use threads will fail.
239
240 Your programs can use the Config module to check whether threads are
241 enabled. If your program can't run without them, you can say something
242 like:
243
244   $Config{useithreads} or die "Recompile Perl with threads to run this program.";
245
246 A possibly-threaded program using a possibly-threaded module might
247 have code like this:
248
249     use Config; 
250     use MyMod; 
251
252     if ($Config{useithreads}) { 
253         # We have threads 
254         require MyMod_threaded; 
255         import MyMod_threaded; 
256     } else { 
257         require MyMod_unthreaded; 
258         import MyMod_unthreaded; 
259     } 
260
261 Since code that runs both with and without threads is usually pretty
262 messy, it's best to isolate the thread-specific code in its own
263 module.  In our example above, that's what MyMod_threaded is, and it's
264 only imported if we're running on a threaded Perl.
265
266 =head2 Creating Threads
267
268 The L<threads> package provides the tools you need to create new
269 threads.  Like any other module, you need to tell Perl you want to use
270 it; C<use threads> imports all the pieces you need to create basic
271 threads.
272
273 The simplest, straightforward way to create a thread is with new():
274
275     use threads; 
276
277     $thr = threads->new(\&sub1);
278
279     sub sub1 { 
280         print "In the thread\n"; 
281     }
282
283 The new() method takes a reference to a subroutine and creates a new
284 thread, which starts executing in the referenced subroutine.  Control
285 then passes both to the subroutine and the caller.
286
287 If you need to, your program can pass parameters to the subroutine as
288 part of the thread startup.  Just include the list of parameters as
289 part of the C<threads::new> call, like this:
290
291     use threads; 
292
293     $Param3 = "foo"; 
294     $thr = threads->new(\&sub1, "Param 1", "Param 2", $Param3); 
295     $thr = threads->new(\&sub1, @ParamList); 
296     $thr = threads->new(\&sub1, qw(Param1 Param2 $Param3));
297
298     sub sub1 { 
299         my @InboundParameters = @_; 
300         print "In the thread\n"; 
301         print "got parameters >", join("<>", @InboundParameters), "<\n"; 
302     }
303
304
305 The last example illustrates another feature of threads.  You can spawn
306 off several threads using the same subroutine.  Each thread executes
307 the same subroutine, but in a separate thread with a separate
308 environment and potentially separate arguments.
309
310 C<create()> is a synonym for C<new()>
311
312 =head2 Giving up control
313
314 There are times when you may find it useful to have a thread
315 explicitly give up the CPU to another thread.  Your threading package
316 might not support preemptive multitasking for threads, for example, or
317 you may be doing something compute-intensive and want to make sure
318 that the user-interface thread gets called frequently.  Regardless,
319 there are times that you might want a thread to give up the processor.
320
321 Perl's threading package provides the yield() function that does
322 this. yield() is pretty straightforward, and works like this:
323
324     use threads; 
325         
326     sub loop {
327             my $thread = shift;
328             my $foo = 50;
329             while($foo--) { print "in thread $thread\n" }
330             threads->yield();
331             $foo = 50;
332             while($foo--) { print "in thread $thread\n" }
333     }
334
335     my $thread1 = threads->new(\&loop, 'first');
336     my $thread2 = threads->new(\&loop, 'second');
337     my $thread3 = threads->new(\&loop, 'third');
338         
339 It is important to remember that yield() is only a hint to give up the CPU,
340 it depends on your hardware, OS and threading libraries what actually happens.
341 Therefore it is important to note that one should not build the scheduling of 
342 the threads around yield() calls. It might work on your platform but it won't
343 work on another platform.
344
345 =head2 Waiting For A Thread To Exit
346
347 Since threads are also subroutines, they can return values.  To wait
348 for a thread to exit and extract any values it might return, you can
349 use the join() method:
350
351     use threads; 
352
353     $thr = threads->new(\&sub1);
354
355     @ReturnData = $thr->join; 
356     print "Thread returned @ReturnData"; 
357
358     sub sub1 { return "Fifty-six", "foo", 2; }
359
360 In the example above, the join() method returns as soon as the thread
361 ends.  In addition to waiting for a thread to finish and gathering up
362 any values that the thread might have returned, join() also performs
363 any OS cleanup necessary for the thread.  That cleanup might be
364 important, especially for long-running programs that spawn lots of
365 threads.  If you don't want the return values and don't want to wait
366 for the thread to finish, you should call the detach() method
367 instead, as described next.
368
369 =head2 Ignoring A Thread
370
371 join() does three things: it waits for a thread to exit, cleans up
372 after it, and returns any data the thread may have produced.  But what
373 if you're not interested in the thread's return values, and you don't
374 really care when the thread finishes? All you want is for the thread
375 to get cleaned up after when it's done.
376
377 In this case, you use the detach() method.  Once a thread is detached,
378 it'll run until it's finished, then Perl will clean up after it
379 automatically.
380
381     use threads; 
382
383     $thr = threads->new(\&sub1); # Spawn the thread
384
385     $thr->detach; # Now we officially don't care any more
386
387     sub sub1 { 
388         $a = 0; 
389         while (1) { 
390             $a++; 
391             print "\$a is $a\n"; 
392             sleep 1; 
393         } 
394     }
395
396
397 Once a thread is detached, it may not be joined, and any return data
398 that it might have produced (if it was done and waiting for a join) is
399 lost.
400
401 =head1 Threads And Data
402
403 Now that we've covered the basics of threads, it's time for our next
404 topic: data.  Threading introduces a couple of complications to data
405 access that non-threaded programs never need to worry about.
406
407 =head2 Shared And Unshared Data
408
409 The biggest difference between Perl ithreads and the old 5.005 style
410 threading, or for that matter, to most other threading systems out there,
411 is that by default, no data is shared. When a new perl thread is created,
412 all the data associated with the current thread is copied to the new
413 thread, and is subsequently private to that new thread!
414 This is similar in feel to what happens when a UNIX process forks,
415 except that in this case, the data is just copied to a different part of
416 memory within the same process rather than a real fork taking place.
417
418 To make use of threading however, one usually want the threads to share
419 at least some data between themselves. This is done with the
420 L<threads::shared> module and the C< : shared> attribute:
421
422     use threads;
423     use threads::shared;
424
425     my $foo : shared = 1;
426     my $bar = 1;
427     threads->new(sub { $foo++; $bar++ })->join;
428     
429     print "$foo\n";  #prints 2 since $foo is shared
430     print "$bar\n";  #prints 1 since $bar is not shared
431
432 In the case of a shared array, all the array's elements are shared, and for
433 a shared hash, all the keys and values are shared. This places
434 restrictions on what may be assigned to shared array and hash elements: only
435 simple values or references to shared variables are allowed - this is
436 so that a private variable can't accidentally become shared. A bad
437 assignment will cause the thread to die. For example:
438
439     use threads;
440     use threads::shared;
441
442     my $var           = 1;
443     my $svar : shared = 2;
444     my %hash : shared;
445
446     ... create some threads ...
447
448     $hash{a} = 1;       # all threads see exists($hash{a}) and $hash{a} == 1
449     $hash{a} = $var     # okay - copy-by-value: same affect as previous
450     $hash{a} = $svar    # okay - copy-by-value: same affect as previous
451     $hash{a} = \$svar   # okay - a reference to a shared variable
452     $hash{a} = \$var    # This will die
453     delete $hash{a}     # okay - all threads will see !exists($hash{a})
454
455 Note that a shared variable guarantees that if two or more threads try to
456 modify it at the same time, the internal state of the variable will not
457 become corrupted. However, there are no guarantees beyond this, as
458 explained in the next section.
459
460 =head2 Thread Pitfalls: Races
461
462 While threads bring a new set of useful tools, they also bring a
463 number of pitfalls.  One pitfall is the race condition:
464
465     use threads; 
466     use threads::shared;
467
468     my $a : shared = 1; 
469     $thr1 = threads->new(\&sub1); 
470     $thr2 = threads->new(\&sub2); 
471
472     $thr1->join;
473     $thr2->join;
474     print "$a\n";
475
476     sub sub1 { my $foo = $a; $a = $foo + 1; }
477     sub sub2 { my $bar = $a; $a = $bar + 1; }
478
479 What do you think $a will be? The answer, unfortunately, is "it
480 depends." Both sub1() and sub2() access the global variable $a, once
481 to read and once to write.  Depending on factors ranging from your
482 thread implementation's scheduling algorithm to the phase of the moon,
483 $a can be 2 or 3.
484
485 Race conditions are caused by unsynchronized access to shared
486 data.  Without explicit synchronization, there's no way to be sure that
487 nothing has happened to the shared data between the time you access it
488 and the time you update it.  Even this simple code fragment has the
489 possibility of error:
490
491     use threads; 
492     my $a : shared = 2;
493     my $b : shared;
494     my $c : shared;
495     my $thr1 = threads->create(sub { $b = $a; $a = $b + 1; }); 
496     my $thr2 = threads->create(sub { $c = $a; $a = $c + 1; });
497     $thr1->join();
498     $thr2->join();
499
500 Two threads both access $a.  Each thread can potentially be interrupted
501 at any point, or be executed in any order.  At the end, $a could be 3
502 or 4, and both $b and $c could be 2 or 3.
503
504 Even C<$a += 5> or C<$a++> are not guaranteed to be atomic.
505
506 Whenever your program accesses data or resources that can be accessed
507 by other threads, you must take steps to coordinate access or risk
508 data inconsistency and race conditions. Note that Perl will protect its
509 internals from your race conditions, but it won't protect you from you.
510
511 =head1 Synchronization and control
512
513 Perl provides a number of mechanisms to coordinate the interactions
514 between themselves and their data, to avoid race conditions and the like.
515 Some of these are designed to resemble the common techniques used in thread
516 libraries such as C<pthreads>; others are Perl-specific. Often, the
517 standard techniques are clumsily and difficult to get right (such as
518 condition waits). Where possible, it is usually easier to use Perlish
519 techniques such as queues, which remove some of the hard work involved.
520
521 =head2 Controlling access: lock()
522
523 The lock() function takes a shared variable and puts a lock on it.  
524 No other thread may lock the variable until the the variable is unlocked
525 by the thread holding the lock. Unlocking happens automatically
526 when the locking thread exists the outermost block that contains
527 C<lock()> function.  Using lock() is straightforward: this example has
528 several threads doing some calculations in parallel, and occasionally
529 updating a running total:
530
531     use threads;
532     use threads::shared;
533
534     my $total : shared = 0;
535
536     sub calc {
537         for (;;) {
538             my $result;
539             # (... do some calculations and set $result ...)
540             {
541                 lock($total); # block until we obtain the lock
542                 $total += $result
543             } # lock implicitly released at end of scope
544             last if $result == 0;
545         }
546     }
547
548     my $thr1 = threads->new(\&calc);
549     my $thr2 = threads->new(\&calc);
550     my $thr3 = threads->new(\&calc);
551     $thr1->join;
552     $thr2->join;
553     $thr3->join;
554     print "total=$total\n";
555
556
557 lock() blocks the thread until the variable being locked is
558 available.  When lock() returns, your thread can be sure that no other
559 thread can lock that variable until the outermost block containing the
560 lock exits.
561
562 It's important to note that locks don't prevent access to the variable
563 in question, only lock attempts.  This is in keeping with Perl's
564 longstanding tradition of courteous programming, and the advisory file
565 locking that flock() gives you.  
566
567 You may lock arrays and hashes as well as scalars.  Locking an array,
568 though, will not block subsequent locks on array elements, just lock
569 attempts on the array itself.
570
571 Locks are recursive, which means it's okay for a thread to
572 lock a variable more than once.  The lock will last until the outermost
573 lock() on the variable goes out of scope. For example:
574
575     my $x : shared;
576     doit();
577
578     sub doit {
579         {
580             {
581                 lock($x); # wait for lock
582                 lock($x): # NOOP - we already have the lock
583                 {
584                     lock($x); # NOOP
585                     {
586                         lock($x); # NOOP
587                         lockit_some_more();
588                     }
589                 }
590             } # *** implicit unlock here ***
591         }
592     }
593
594     sub lockit_some_more {
595         lock($x); # NOOP
596     } # nothing happens here
597
598 Note that there is no unlock() function - the only way to unlock a
599 variable is to allow it to go out of scope.  
600
601 A lock can either be used to guard the data contained within the variable
602 being locked, or it can be used to guard something else, like a section
603 of code. In this latter case, the variable in question does not hold any
604 useful data, and exists only for the purpose of being locked. In this
605 respect, the variable behaves like the mutexes and basic semaphores of
606 traditional thread libraries.
607
608 =head2 A Thread Pitfall: Deadlocks
609
610 Locks are a handy tool to synchronize access to data, and using them
611 properly is the key to safe shared data.  Unfortunately, locks aren't
612 without their dangers, especially when multiple locks are involved.
613 Consider the following code:
614
615     use threads; 
616
617     my $a : shared = 4; 
618     my $b : shared = "foo"; 
619     my $thr1 = threads->new(sub { 
620         lock($a); 
621         threads->yield; 
622         sleep 20; 
623         lock($b); 
624     }); 
625     my $thr2 = threads->new(sub { 
626         lock($b); 
627         threads->yield; 
628         sleep 20; 
629         lock($a); 
630     });
631
632 This program will probably hang until you kill it.  The only way it
633 won't hang is if one of the two threads acquires both locks
634 first.  A guaranteed-to-hang version is more complicated, but the
635 principle is the same.
636
637 The first thread will grab a lock on $a, then, after a pause during which
638 the second thread has probably had time to do some work, try to grab a
639 lock on $b.  Meanwhile, the second thread grabs a lock on $b, then later
640 tries to grab a lock on $a.  The second lock attempt for both threads will
641 block, each waiting for the other to release its lock.
642
643 This condition is called a deadlock, and it occurs whenever two or
644 more threads are trying to get locks on resources that the others
645 own.  Each thread will block, waiting for the other to release a lock
646 on a resource.  That never happens, though, since the thread with the
647 resource is itself waiting for a lock to be released.
648
649 There are a number of ways to handle this sort of problem.  The best
650 way is to always have all threads acquire locks in the exact same
651 order.  If, for example, you lock variables $a, $b, and $c, always lock
652 $a before $b, and $b before $c.  It's also best to hold on to locks for
653 as short a period of time to minimize the risks of deadlock.
654
655 The other synchronization primitives described below can suffer from
656 similar problems.
657
658 =head2 Queues: Passing Data Around
659
660 A queue is a special thread-safe object that lets you put data in one
661 end and take it out the other without having to worry about
662 synchronization issues.  They're pretty straightforward, and look like
663 this:
664
665     use threads; 
666     use threads::shared::queue;
667
668     my $DataQueue = threads::shared::queue->new(); 
669     $thr = threads->new(sub { 
670         while ($DataElement = $DataQueue->dequeue) { 
671             print "Popped $DataElement off the queue\n";
672         } 
673     }); 
674
675     $DataQueue->enqueue(12); 
676     $DataQueue->enqueue("A", "B", "C"); 
677     $DataQueue->enqueue(\$thr); 
678     sleep 10; 
679     $DataQueue->enqueue(undef);
680     $thr->join();
681
682 You create the queue with C<new threads::shared::queue>.  Then you can
683 add lists of scalars onto the end with enqueue(), and pop scalars off
684 the front of it with dequeue().  A queue has no fixed size, and can grow
685 as needed to hold everything pushed on to it.
686
687 If a queue is empty, dequeue() blocks until another thread enqueues
688 something.  This makes queues ideal for event loops and other
689 communications between threads.
690
691 =head2 Semaphores: Synchronizing Data Access
692
693 Semaphores are a kind of generic locking mechanism. In their most basic
694 form, they behave very much like lockable scalars, except that thay
695 can't hold data, and that they must be explicitly unlocked. In their
696 advanced form, they act like a kind of counter, and can allow multiple
697 threads to have the 'lock' at any one time.
698
699 =head2 Basic semaphores
700
701 Semaphores have two methods, down() and up(): down() decrements the resource
702 count, while up increments it. Calls to down() will block if the
703 semaphore's current count would decrement below zero.  This program
704 gives a quick demonstration:
705
706     use threads qw(yield); 
707     use threads::shared::semaphore; 
708
709     my $semaphore = new threads::shared::semaphore; 
710     my $GlobalVariable : shared = 0;
711
712     $thr1 = new threads \&sample_sub, 1; 
713     $thr2 = new threads \&sample_sub, 2; 
714     $thr3 = new threads \&sample_sub, 3;
715
716     sub sample_sub { 
717         my $SubNumber = shift @_; 
718         my $TryCount = 10; 
719         my $LocalCopy; 
720         sleep 1; 
721         while ($TryCount--) { 
722             $semaphore->down; 
723             $LocalCopy = $GlobalVariable; 
724             print "$TryCount tries left for sub $SubNumber (\$GlobalVariable is $GlobalVariable)\n"; 
725             yield; 
726             sleep 2; 
727             $LocalCopy++; 
728             $GlobalVariable = $LocalCopy; 
729             $semaphore->up; 
730         } 
731     }
732
733     $thr1->join();
734     $thr2->join();
735     $thr3->join();
736
737 The three invocations of the subroutine all operate in sync.  The
738 semaphore, though, makes sure that only one thread is accessing the
739 global variable at once.
740
741 =head2 Advanced Semaphores
742
743 By default, semaphores behave like locks, letting only one thread
744 down() them at a time.  However, there are other uses for semaphores.
745
746 Each semaphore has a counter attached to it. By default, semaphores are
747 created with the counter set to one, down() decrements the counter by
748 one, and up() increments by one. However, we can override any or all
749 of these defaults simply by passing in different values:
750
751     use threads;
752     use threads::shared::semaphore;
753     my $semaphore = threads::shared::semaphore->new(5);
754                     # Creates a semaphore with the counter set to five
755
756     $thr1 = threads->new(\&sub1);
757     $thr2 = threads->new(\&sub1);
758
759     sub sub1 {
760         $semaphore->down(5); # Decrements the counter by five
761         # Do stuff here
762         $semaphore->up(5); # Increment the counter by five
763     }
764
765     $thr1->detach();
766     $thr2->detach();
767
768 If down() attempts to decrement the counter below zero, it blocks until
769 the counter is large enough.  Note that while a semaphore can be created
770 with a starting count of zero, any up() or down() always changes the
771 counter by at least one, and so $semaphore->down(0) is the same as
772 $semaphore->down(1).
773
774 The question, of course, is why would you do something like this? Why
775 create a semaphore with a starting count that's not one, or why
776 decrement/increment it by more than one? The answer is resource
777 availability.  Many resources that you want to manage access for can be
778 safely used by more than one thread at once.
779
780 For example, let's take a GUI driven program.  It has a semaphore that
781 it uses to synchronize access to the display, so only one thread is
782 ever drawing at once.  Handy, but of course you don't want any thread
783 to start drawing until things are properly set up.  In this case, you
784 can create a semaphore with a counter set to zero, and up it when
785 things are ready for drawing.
786
787 Semaphores with counters greater than one are also useful for
788 establishing quotas.  Say, for example, that you have a number of
789 threads that can do I/O at once.  You don't want all the threads
790 reading or writing at once though, since that can potentially swamp
791 your I/O channels, or deplete your process' quota of filehandles.  You
792 can use a semaphore initialized to the number of concurrent I/O
793 requests (or open files) that you want at any one time, and have your
794 threads quietly block and unblock themselves.
795
796 Larger increments or decrements are handy in those cases where a
797 thread needs to check out or return a number of resources at once.
798
799 =head2 cond_wait() and cond_signal()
800
801 These two functions can be used in conjunction with locks to notify
802 co-operating threads that a resource has become available. They are
803 very similar in use to the functions found in C<pthreads>. However
804 for most purposes, queues are simpler to use and more intuitive. See
805 L<threads::shared> for more details.
806
807 =head1 General Thread Utility Routines
808
809 We've covered the workhorse parts of Perl's threading package, and
810 with these tools you should be well on your way to writing threaded
811 code and packages.  There are a few useful little pieces that didn't
812 really fit in anyplace else.
813
814 =head2 What Thread Am I In?
815
816 The C<< threads->self >> class method provides your program with a way to
817 get an object representing the thread it's currently in.  You can use this
818 object in the same way as the ones returned from thread creation.
819
820 =head2 Thread IDs
821
822 tid() is a thread object method that returns the thread ID of the
823 thread the object represents.  Thread IDs are integers, with the main
824 thread in a program being 0.  Currently Perl assigns a unique tid to
825 every thread ever created in your program, assigning the first thread
826 to be created a tid of 1, and increasing the tid by 1 for each new
827 thread that's created.
828
829 =head2 Are These Threads The Same?
830
831 The equal() method takes two thread objects and returns true 
832 if the objects represent the same thread, and false if they don't.
833
834 Thread objects also have an overloaded == comparison so that you can do
835 comparison on them as you would with normal objects.
836
837 =head2 What Threads Are Running?
838
839 C<< threads->list >> returns a list of thread objects, one for each thread
840 that's currently running and not detached.  Handy for a number of things,
841 including cleaning up at the end of your program:
842
843     # Loop through all the threads 
844     foreach $thr (threads->list) { 
845         # Don't join the main thread or ourselves 
846         if ($thr->tid && !threads::equal($thr, threads->self)) { 
847             $thr->join; 
848         } 
849     }
850
851 If some threads have not finished running when the main Perl thread
852 ends, Perl will warn you about it and die, since it is impossible for Perl
853 to clean up itself while other threads are running
854
855 =head1 A Complete Example
856
857 Confused yet? It's time for an example program to show some of the
858 things we've covered.  This program finds prime numbers using threads.
859
860     1  #!/usr/bin/perl -w
861     2  # prime-pthread, courtesy of Tom Christiansen
862     3
863     4  use strict;
864     5
865     6  use threads;
866     7  use threads::shared::queue;
867     8
868     9  my $stream = new threads::shared::queue;
869     10 my $kid    = new threads(\&check_num, $stream, 2);
870     11
871     12 for my $i ( 3 .. 1000 ) {
872     13     $stream->enqueue($i);
873     14 } 
874     15
875     16 $stream->enqueue(undef);
876     17 $kid->join();
877     18
878     19 sub check_num {
879     20     my ($upstream, $cur_prime) = @_;
880     21     my $kid;
881     22     my $downstream = new threads::shared::queue;
882     23     while (my $num = $upstream->dequeue) {
883     24         next unless $num % $cur_prime;
884     25         if ($kid) {
885     26            $downstream->enqueue($num);
886     27                  } else {
887     28            print "Found prime $num\n";
888     29                $kid = new threads(\&check_num, $downstream, $num);
889     30         }
890     31     } 
891     32     $downstream->enqueue(undef) if $kid;
892     33     $kid->join()         if $kid;
893     34 }
894
895 This program uses the pipeline model to generate prime numbers.  Each
896 thread in the pipeline has an input queue that feeds numbers to be
897 checked, a prime number that it's responsible for, and an output queue
898 that into which it funnels numbers that have failed the check.  If the thread
899 has a number that's failed its check and there's no child thread, then
900 the thread must have found a new prime number.  In that case, a new
901 child thread is created for that prime and stuck on the end of the
902 pipeline.
903
904 This probably sounds a bit more confusing than it really is, so let's
905 go through this program piece by piece and see what it does.  (For
906 those of you who might be trying to remember exactly what a prime
907 number is, it's a number that's only evenly divisible by itself and 1)
908
909 The bulk of the work is done by the check_num() subroutine, which
910 takes a reference to its input queue and a prime number that it's
911 responsible for.  After pulling in the input queue and the prime that
912 the subroutine's checking (line 20), we create a new queue (line 22)
913 and reserve a scalar for the thread that we're likely to create later
914 (line 21).
915
916 The while loop from lines 23 to line 31 grabs a scalar off the input
917 queue and checks against the prime this thread is responsible
918 for.  Line 24 checks to see if there's a remainder when we modulo the
919 number to be checked against our prime.  If there is one, the number
920 must not be evenly divisible by our prime, so we need to either pass
921 it on to the next thread if we've created one (line 26) or create a
922 new thread if we haven't.
923
924 The new thread creation is line 29.  We pass on to it a reference to
925 the queue we've created, and the prime number we've found.
926
927 Finally, once the loop terminates (because we got a 0 or undef in the
928 queue, which serves as a note to die), we pass on the notice to our
929 child and wait for it to exit if we've created a child (lines 32 and
930 37).
931
932 Meanwhile, back in the main thread, we create a queue (line 9) and the
933 initial child thread (line 10), and pre-seed it with the first prime:
934 2.  Then we queue all the numbers from 3 to 1000 for checking (lines
935 12-14), then queue a die notice (line 16) and wait for the first child
936 thread to terminate (line 17).  Because a child won't die until its
937 child has died, we know that we're done once we return from the join.
938
939 That's how it works.  It's pretty simple; as with many Perl programs,
940 the explanation is much longer than the program.
941
942 =head1 Performance considerations
943
944 The main thing to bear in mind when comparing ithreads to other threading
945 models is the fact that for each new thread created, a complete copy of
946 all the variables and data of the parent thread has to be taken. Thus
947 thread creation can be quite expensive, both in terms of memory usage and
948 time spent in creation. The ideal way to reduce these costs is to have a
949 relatively short number of long-lived threads, all created fairly early
950 on -  before the base thread has accumulated too much data. Of course, this
951 may not always be possible, so compromises have to be made. However, after
952 a thread has been created, its performance and extra memory usage should
953 be little different than ordinary code.
954
955 Also note that under the current implementation, shared variables
956 use a little more memory and are a little slower than ordinary variables.
957
958 =head1 Conclusion
959
960 A complete thread tutorial could fill a book (and has, many times),
961 but with what we've covered in this introduction, you should be well
962 on your way to becoming a threaded Perl expert.
963
964 =head1 Bibliography
965
966 Here's a short bibliography courtesy of Jürgen Christoffel:
967
968 =head2 Introductory Texts
969
970 Birrell, Andrew D. An Introduction to Programming with
971 Threads. Digital Equipment Corporation, 1989, DEC-SRC Research Report
972 #35 online as
973 http://gatekeeper.dec.com/pub/DEC/SRC/research-reports/abstracts/src-rr-035.html
974 (highly recommended)
975
976 Robbins, Kay. A., and Steven Robbins. Practical Unix Programming: A
977 Guide to Concurrency, Communication, and
978 Multithreading. Prentice-Hall, 1996.
979
980 Lewis, Bill, and Daniel J. Berg. Multithreaded Programming with
981 Pthreads. Prentice Hall, 1997, ISBN 0-13-443698-9 (a well-written
982 introduction to threads).
983
984 Nelson, Greg (editor). Systems Programming with Modula-3.  Prentice
985 Hall, 1991, ISBN 0-13-590464-1.
986
987 Nichols, Bradford, Dick Buttlar, and Jacqueline Proulx Farrell.
988 Pthreads Programming. O'Reilly & Associates, 1996, ISBN 156592-115-1
989 (covers POSIX threads).
990
991 =head2 OS-Related References
992
993 Boykin, Joseph, David Kirschen, Alan Langerman, and Susan
994 LoVerso. Programming under Mach. Addison-Wesley, 1994, ISBN
995 0-201-52739-1.
996
997 Tanenbaum, Andrew S. Distributed Operating Systems. Prentice Hall,
998 1995, ISBN 0-13-219908-4 (great textbook).
999
1000 Silberschatz, Abraham, and Peter B. Galvin. Operating System Concepts,
1001 4th ed. Addison-Wesley, 1995, ISBN 0-201-59292-4
1002
1003 =head2 Other References
1004
1005 Arnold, Ken and James Gosling. The Java Programming Language, 2nd
1006 ed. Addison-Wesley, 1998, ISBN 0-201-31006-6.
1007
1008 Le Sergent, T. and B. Berthomieu. "Incremental MultiThreaded Garbage
1009 Collection on Virtually Shared Memory Architectures" in Memory
1010 Management: Proc. of the International Workshop IWMM 92, St. Malo,
1011 France, September 1992, Yves Bekkers and Jacques Cohen, eds. Springer,
1012 1992, ISBN 3540-55940-X (real-life thread applications).
1013
1014 =head1 Acknowledgements
1015
1016 Thanks (in no particular order) to Chaim Frenkel, Steve Fink, Gurusamy
1017 Sarathy, Ilya Zakharevich, Benjamin Sugars, Jürgen Christoffel, Joshua
1018 Pritikin, and Alan Burlison, for their help in reality-checking and
1019 polishing this article.  Big thanks to Tom Christiansen for his rewrite
1020 of the prime number generator.
1021
1022 =head1 AUTHOR
1023
1024 Dan Sugalski E<lt>sugalskd@ous.eduE<gt>
1025
1026 Slightly modified by Arthur Bergman to fit the new thread model/module.
1027
1028 =head1 Copyrights
1029
1030 The original version of this article originally appeared in The Perl
1031 Journal #10, and is copyright 1998 The Perl Journal. It appears courtesy
1032 of Jon Orwant and The Perl Journal.  This document may be distributed
1033 under the same terms as Perl itself.
1034
1035 For more information please see L<threads> and L<threads::shared>.
1036